Виртуальные функции
Виртуальная функция — это функция-член, которую предполагается переопределить в производных классах. При ссылке на объект производного класса с помощью указателя или ссылки на базовый класс можно вызвать виртуальную функцию для этого объекта и выполнить версию функции производного класса.
Виртуальные функции обеспечивают вызов соответствующей функции для объекта независимо от выражения, используемого для вызова функции.
Функции в производных классах переопределяют виртуальные функции в базовых классах, только если их тип совпадает. Функция в производном классе не может отличаться от виртуальной функции в базовом классе только возвращаемым типом; список аргументов также должен отличаться.
При вызове функции с помощью указателей или ссылок применяются следующие правила.
Вызов виртуальной функции разрешается в соответствии с базовым типом объекта, для которого она вызывается.
Вызов невиртуальной функции разрешается в соответствии с типом указателя или ссылки.
В следующем примере показано поведение виртуальной и невиртуальной функций при вызове с помощью указателей.
virtual Ключевое слово можно использовать при объявлении переопределяемых функций в производном классе, но это не обязательно; переопределения виртуальных функций всегда являются виртуальными.
Виртуальные функции в базовом классе должны быть определены, если они не объявлены с помощью чистого описателя. (Дополнительные сведения о чистых виртуальных функциях см. в разделе абстрактные классы.)
Оба вызова PrintBalance в предыдущем примере подавляют механизм вызова виртуальных функций.
Виртуальные функции
Виртуальные функции — специальный вид функций-членов класса. Виртуальная функция отличается об обычной функции тем, что для обычной функции связывание вызова функции с ее определением осуществляется на этапе компиляции. Для виртуальных функций это происходит во время выполнения программы.
Виртуальная функция — это функция, которая определяется в базовом классе, а любой порожденный класс может ее переопределить. Виртуальная функция вызывается только через указатель или ссылку на базовый класс.
Указатель на базовый класс может указывать либо на объект базового класса, либо на объект порожденного класса. Выбор функции-члена зависит от того, на объект какого класса при выполнении программы указывает указатель, но не от типа указателя. При отсутствии члена порожденного класса по умолчанию используется виртуальная функция базового класса.
Результат выполнения 
В терминологии ООП «объект посылает сообщение print и выбирает свою собственную версию соответствующего метода». Виртуальной может быть только нестатическая функция-член класса. Для порожденного класса функция автоматически становится виртуальной, поэтому ключевое слово virtual можно опустить.
Пример : выбор виртуальной функции
Результат выполнения 
Чистая виртуальная функция
Чистая виртуальная функция — это метод класса, тело которого не определено.
В базовом классе такая функция записывается следующим образом:
Для рассмотренного выше примера (класс Фигура) функцию вычисления площади целесообразно задать чистой виртуальной функцией, которую переопределяет каждый наследуемый класс.
Строка 9 при этом будет иметь вид:
C++ MythBusters. Миф о виртуальных функциях
В прошлой статье я рассказывал, с какой не всем известной особенностью можно столкнуться при работе с подставляемыми функциями. Статья породила как несколько существенных замечаний, так и многостраничные споры (и даже холивары), начавшиеся с того, что inline-функции вообще лучше не использовать, и перешедшие в стандартную тему C vs. C++ vs. Java vs. C# vs. PHP vs. Haskell vs. …
Сегодня пришла очередь виртуальных функций. И, во-первых, я сразу оговорюсь, что статья моя (в принципе, как и предыдущая) ни в коей мере не претендует на полноту изложения. А во-вторых, как и раньше, эта статья не для профессионалов. Она будет полезна тем, кто уже нормально разбирается в основах C++, но имеет недостаточно опыта, либо же тем, кто не любит читать книжек.
Надеюсь, все знают, что такое виртуальные функции и как они используются, так как объяснять это уже не моя задача. Уверен, что RFry в цикле своих статей о рано или поздно доберется и до них.
Если в материале про inline-методы миф был не совсем очевиден, то в этом — напротив. Собственно, перейдем к «мифу».
Виртуальные функции и ключевое слово virtual
К моему удивлению, я очень часто сталкивался и сталкиваюсь с людьми (да что там говорить, я и сам был таким же), которые считают, что ключевое слово virtual делает функцию виртуальной только на один уровень иерархии. Объясню, что имеется в виду, на примере:
pA is B:
B::foo() // потому что в родительском классе A метод foo() помечен как virtual
B::bar() // потому что в родительском классе A метод bar() помечен как virtual
A::baz() // потому что в родительском классе A метод baz() не помечен как virtual
pA is C:
С::foo() // потому что в родительском классе B метод foo() помечен как virtual
B::bar() // потому что в родительском классе B метод bar() не помечен как virtual,
// но он помечен как virtual в классе A, указатель на который мы используем
A::baz() // потому что в классе A метод baz() не помечен как virtual
С невиртуальной функцией baz() всё и так ясно. А вот с логикой вызова виртуальных функций есть неувязочка. Думаю, не стоит говорить, что на самом деле вывод будет следующим:
Вывод: виртуальная функция становится виртуальной до конца иерархии, а ключевое слово virtual является «ключевым» только в первый раз, а в последующие разы оно несет в себе чисто информативную функцию для удобства программистов.
Чтобы понять, почему так происходит, нужно разобраться, как именно работает механизм виртуальных функций.
Раннее и позднее связывание. Таблица виртуальных функций
Связывание — это сопоставление вызова функции с вызовом. В C++ все функции по умолчанию имеют раннее связывание, то есть компилятор и компоновщик решают, какая именно функция должна быть вызвана, до запуска программы. Виртуальные функции имеют позднее связывание, то есть при вызове функции нужное тело выбирается на этапе выполнения программы.
Встретив ключевое слово virtual, компилятор помечает, что для этого метода должно использоваться позднее связывание: для начала он создает для класса таблицу виртуальных функций, а в класс добавляет новый скрытый для программиста член — указатель на эту таблицу. (На самом деле, насколько я знаю, стандарт языка не предписывает, как именно должен быть реализован механизм виртуальных функций, но реализация на основе виртуальной таблицы стала стандартом де факто.). Рассмотрим этот пруфкод:
Вывод может отличаться в зависимости от платформы, но в моем случае (Win32, msvc2008) он был следующим:
Что можно понять из этого примера. Во-первых, размер «пустого» класса всегда больше нуля, потому что компилятор специально вставляет в него фиктивный член. Как пишет Эккель, «представьте процесс индексирования в массиве объектов нулевого размера, и все станет ясно» 😉 Во-вторых, мы видим, что размер «непустого» класса NotEmptyVirt при добавлении в него виртуальной функции увеличился на стандартный размер указателя на void; а в «пустом» классе EmptyVirt фиктивный член, который компилятор ранее добавлял для приведения класса к ненулевому размеру, был заменен на указатель. В то же время добавление невиртуальной функции в класс на размер не влияет (спасибо nullbie за совет). Имя указателя на таблицу отличается в зависимости от компилятора. К примеру, компилятор называет его __vfptr, а саму таблицу ‘vftable’ (кто не верит, может посмотреть в отладчике 🙂 В литературе указатель на таблицу виртуальных функций принято называть VPTR, а саму таблицу VTABLE, поэтому я буду придерживаться таких же обозначений.
Что представляет собой таблица виртуальных функций и для чего она нужна? Таблица виртуальных функций хранит в себе адреса всех виртуальных методов класса (по сути, это массив указателей), а также всех виртуальных методов базовых классов этого класса.
Таблиц виртуальных функций у нас будет столько, сколько есть классов, содержащих виртуальные функции — по одной таблице на класс. Объекты каждого из классов содержат именно указатель на таблицу, а не саму таблицу! Вопросы на эту тему любят задавать преподаватели, а также те, кто проводит собеседования. (Примеры каверзных вопросов, на которых можно подловить новичков: «если класс содержит таблицу виртуальных функций, то размер объекта класса будет зависеть от количества виртуальных функций, содержащихся в нем, верно?»; «имеем массив указателей на базовый класс, каждый из которых указывает на объект одного из производных классов — сколько у нас будет таблиц виртуальных функций?» и т.д.).
Итак, для каждого класса у нас будет создана таблица виртуальных функций. Каждой виртуальной функции базового класса присваивается подряд идущий индекс (в порядке объявления функций), по которому в последствие и будет определяться адрес тела функции в таблице VTABLE. При наследовании базового класса, производный класс «получает» и таблицу адресов виртуальных функций базового класса. Если какой-либо виртуальный метод в производном классе переопределяется, то в таблице виртуальных функций этого класса адрес тела соответствующего метода просто будет заменен на новый. При добавлении в производный класс новых виртуальных методов VTABLE производного класса расширяется, а таблица базового класса естественно остается такой же, как и была. Поэтому через указатель на базовый класс нельзя виртуально вызвать методы производного класса, которых не было в базовом — ведь базовый класс о них ничего «не знает» (дальше мы все это посмотрим на примере).
Конструктор класса теперь должен делать дополнительную операцию: инициализировать указатель VPTR адресом соответствующей таблицы виртуальных функций. То есть, когда мы создаем объект производного класса, сначала вызывается конструктор базового класса, инициализирующий VPTR адресом «своей» таблицы виртуальных функций, затем вызывается конструктор производного класса, который перезаписывает это значение.
При вызове функции через адрес базового класса (читайте — через указатель на базовый класс) компилятор сначала должен по указателю VPTR обратиться к таблице виртуальных функций класса, а из неё получить адрес тела вызываемой функции, и только после этого делать call.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что механизм позднего связывания требует дополнительных затрат процессорного времени (инициализация VPTR конструктором, получение адреса функции при вызове) по сравнению с ранним.
Думаю, на примере все станет понятнее. Рассмотрим следующую иерархию:
В данном случае получим две таблицы виртуальных функций:
| Base | |
| 0 | Base::foo() |
| 1 | Base::bar() |
| 2 | Base::baz() |
и
| Inherited | |
| 0 | Base::foo() |
| 1 | Inherited::bar() |
| 2 | Base::baz() |
| 3 | Inherited::qux() |
Как видим, в таблице производного класса адрес второго метода был заменен на соответствующий переопределенный. Пруфкод:
Вернемся к мифу. Становится очевидным тот факт, что при таком подходе к реализации виртуальных функций невозможно сделать так, чтобы функция была виртуальной только на один уровень иерархии.
Также становится понятно, почему виртуальные функции работают только при обращении по адресу объекта (через указатели либо через ссылки). Как я уже сказал, в этой строке
Base * pBase = new Inherited;
происходит повышающее приведение типа: Inherited* приводится к Base*, но в любом случае указатель всего лишь хранит адрес «начала» объекта в памяти. Если же повышающее приведение производить непосредственно для объекта, то он фактически «обрезается» до размера объекта базового класса. Поэтому логично, что для вызова функций «через объект» используется раннее связывание — компилятор и так «знает» фактический тип объекта.
Собственно, это всё. Жду комментариев. Спасибо за внимание.
virtual (Справочник по C#)
Ключевое слово virtual используется для изменения объявлений методов, свойств, индексаторов и событий и разрешения их переопределения в производном классе. Например, этот метод может быть переопределен любым наследующим его классом:
Реализацию виртуального члена можно изменить путем переопределения члена в производном классе. Дополнительные сведения об использовании ключевого слова virtual см. в разделах Управление версиями с помощью ключевых слов Override и New и Использование ключевых слов Override и New.
Remarks
При вызове виртуального метода тип времени выполнения объекта проверяется на переопределение члена. Вызывается переопределение члена в самом дальнем классе. Это может быть исходный член, если никакой производный класс не выполнял переопределение этого члена.
По умолчанию методы не являются виртуальными. Такой метод переопределить невозможно.
Действие виртуальных свойств аналогично виртуальным методам, за исключением отличий в синтаксисе объявлений и вызовов.
Использование модификатора virtual в статическом свойстве является недопустимым.
Пример
Следующая программа вычисляет и отображает соответствующую область для каждой фигуры путем вызова нужной реализации метода Area() в соответствии с объектом, связанным с методом.
Спецификация языка C#
Дополнительные сведения см. в спецификации языка C#. Спецификация языка является предписывающим источником информации о синтаксисе и использовании языка C#.
Виртуальные функции в C
Недавно мне задали вопрос: как бы я реализовал механизм виртуальных функций на языке C?
Поначалу я понятия не имел, как это можно сделать: ведь C не является языком объектно-ориентированного программирования, и здесь нет такого понятия, как наследование. Но поскольку у меня уже было немного опыта с C, и я знал, как работают виртуальные функции, я подумал, что должен быть способ сымитировать поведение виртуальных функций, используя структуры (struct).
Краткое пояснение для тех, кто не знает, что такое виртуальные функции:
Виртуальная функция — это функция, которая может быть переопределена классом-наследником, для того чтобы тот имел свою, отличающуюся, реализацию. В языке C++ используется такой механизм, как таблица виртуальных функций
(кратко vtable) для того, чтобы поддерживать связывание на этапе выполнения программы. Виртуальная таблица — статический массив, который хранит для каждой виртуальной функции указатель на ближайшую в иерархии наследования реализацию этой функции. Ближайшая в иерархии реализация определяется во время выполнения посредством извлечения адреса функции из таблицы методов объекта.
Давайте теперь посмотрим на простой пример использования виртуальных функций в C++
Теперь давайте подумаем, как реализовать концепцию виртуальных функций на C. Зная, что виртуальные функции представлены в виде указателей и хранятся в vtable, а vtable — статический массив, мы должны создать структуру, имитирующую сам класс ClassA, таблицу виртуальных функций для ClassA, а также реализацию методов ClassA.
Как мы видим из кода, приведенного выше, реализация ClassA_get() вызывает функцию set() через указатель из vtable. Теперь посмотрим на реализацию класса-наследника:
Вот так выглядит функция main() :
Конечно же, этот трюк не выглядит настолько же естественно, как в C++ или в другом объектно-ориентированном языке программирования, и мне никогда не приходилось реализовывать нечто подобное, когда я писал программы на C, но тем не менее это может помочь лучше понять внутреннее устройство виртуальных функций.